河道泵站防淤积取水设施的开发设计

　　　　

(长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉　430010)

1　小组概况

长江勘测规划设计研究院重庆分公司QC小组成立于2015年2月，是一个创新型小组。成员9人，成员中既有技术全面、专业能力强的技术骨干，又有朝气蓬勃、勤学好问的青年员工，是一个专业覆盖全、工作素质好的团队。

2　选择课题

河道内修建取水泵站采用的一般方法是在河底挖建进水池，在后期运行过程中，取水结构均会面临不同程度的泥沙淤积问题。对于泥沙较多的河流，进水池淤积导致水泵取水效率下降；水中夹杂的泥沙对水泵产生严重的磨损也会大大缩短水泵设备的使用寿命。因此需要经常对进水池进行清淤，投入的人力和时间较多，增加后期运行成本。

本次课题依托重庆市荣昌县濑溪河灌区续建配套与节水改造工程。濑溪河坡降缓，泥沙量大，普通取水设施极易发生淤积，为了解决泥沙淤积问题，成立QC小组设计新型取水设施。

3　设定目标

根据工程河段洪水、地质、泥沙等条件，考虑施工方便及投资，设计出一种运用于河道泵站的新型取水设施。

设定目标：新型设施能够适应多泥沙河道取水要求，减少清淤等后续工作。

4　方案提出及比选

4.1　提出方案

根据设定的课题目标，结合工程河段条件，小组成员对新型取水设施提出设想，并制作设想亲和图(见图1)，主要考虑了结构形式、地质条件、造价及施工3个方面的因素。

根据亲和图，QC小组提出两种新型取水结构，并对结构形式及结构功能进行了讨论。

方案一：钢筋混凝土滤水管。本方案采用开孔钢筋混凝土管作为滤水管，外包双层土工布，土工布外铺一层碎石滤水体，再在碎石上铺双层土工布，最后铺一层碎石防冲，如图2所示。

图1　取水设施设想亲和图

图2　方案一结构示意图

方案一采用钢筋混凝土滤水管+碎石滤水体+土工布形式，钢筋混凝土管通过滤水孔滤水，碎石滤水体及土工布过滤泥沙，表层碎石滤水体防冲，达到取水、防砂的目的。

方案二：无砂混凝土渗水管。本方案采用无砂混凝土管渗透取水，外包一层碎石对泥沙进行过滤，碎石层上再设一层干砌石护面防冲，如图3所示。

方案二采用无砂混凝土管+碎石滤水体+干砌石护面形式，无砂混凝土管渗透取水，碎石滤水体过滤泥沙，表层干砌石护面防冲。

4.2　方案比选

根据两种方案的结构形式及功能组成，小组成员从结构稳定、取水能力、施工难度、经济性等四个方面对方案进行了打分，平均得分情况见表1。

图3　方案二结构示意图

表1　方案分析

综合以上分析，方案一在结构稳定、取水能力、施工难度等方面优势较突出，因此采用方案一作为推荐方案。

5　制定对策

根据确定的推荐方案，QC小组成员进行认真的研究分析，制定了对策实施计划表，见表2。

表2　对策实施计划

6　对策实施

6.1　确定表层滤水体最小粒径

表层碎石体兼有滤水及防冲的功能，为了防止洪水冲刷引起滤水体的失效，需对表层滤水体抗冲进行计算，然后选用合理粒径的碎石。拟采用泥沙起动理论中的沙莫夫公式计算设计洪水情况下的碎石滤水体不被冲刷破坏的最小粒径。考虑河道流速分布为指数分布，引入沙莫夫参数，根据河道洪水平均流速，反算出最小碎石粒径为8mm。

6.2　确定混凝土滤水管参数

根据《管井技术规范》(GB 50296—2014)规定：管井设计出水量，应小于滤水管的进水能力。根据工程供水规划，该泵站取水流量约为0.0694m3/s，以此作为滤水管参数设计依据。

滤水管进水能力计算公式：

Qg=πnVgDgL

式中Qg——滤水管的进水能力,m3/s;

n——滤水管进水面层有效孔隙率，宜按滤水管面层孔隙率的50%计算;

vg——允许滤水管进水流速,m/s，不得大于0.03m/s;

Dg——滤水管外径,m；

L——滤水管设计有效长度,m，宜按滤水管长度的85%计算。

本次设计取值及计算结果见表3。

表3　滤水管计算成果

由表3可见，本次设计滤水管进水流量大于该片灌区需水量，满足规范要求，故本次共布置15根滤水管，滤水管设计尺寸为：外径0.35m(壁厚5cm)，长7.0m，滤水管上均匀开孔，孔径1cm，考虑后期运行滤水效率的降低，总孔隙率需大于0.1。

6.3　确定土工布参数

在本方案中，土工布的主要作用是：ⓐ过滤，防止细颗粒进入滤水管；ⓑ隔离，防止碎石颗粒堵塞滤水孔。

土工布造价相对较低且本工程用量较少，考虑到泵站的长期运行，因此土工布应具有较高的强度、渗透性及耐久性，故选用规格参数500g/m2、渗透系数5.0×10-1、断裂强力16.0kN/m的土工布，以满足滤水流量及检修的要求。

6.4　编写施工技术要求

根据地质条件及进度要求，编写了新型取水设施的施工技术要求。

a.开挖至设计高程，若遇软基，采用块石换填，再铺设混凝土滤水管底部碎石滤水体和双层土工布。

b.按照设计尺寸预制钢筋混凝土滤水管，并以双层土工布包裹，按间距铺设在下部碎石滤水体上，铺设混凝土滤水管上部碎石滤水体，浇筑进水池，安装高水位进水管，水泵抽水管及排气管。

c.铺设双层土工布，再铺设碎石防冲层，铺设平压孔内的碎石滤水体及双层土工布。

7　确认效果

濑溪河灌区狮子坡提灌站已实施，经过一个汛期的运行。目前泵站运行效果良好，能够满足取水流量需求，目前也不需要开展清淤工作(见图4)。

图4　取水结构运行

通过查看狮子坡提灌站运行记录表，发现新型取水设施运行正常，在洪水期、枯水期均能满足取水流量的要求。

8　标准化

a.根据QC小组活动成果，小组成员完善了取水设施，编制了新型取水设施的结构图和钢筋图集，如图5所示。

b.编制了新型取水设施的施工技术要求。

c.根据QC小组活动成果，向国家知识产权局申请了实用新型专利，现已通过审查。

图5　结构及钢筋图集

9　总结及体会

通过本次QC小组活动，实现了新型取水设施的设计，达到了既定目标，可为类似工程提供参考。通过QC小组活动，培养了小组成员的创新意识，不拘泥于传统的结构形式，将创新意识运用于设计工作中，同时在分析问题和解决问题方面的能力也得到了一定的提高。